膨胀机是用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的机器。其工作原理是将压缩气体的位能转变为机械功。因此，膨胀机也是一种气体发动机，所不同的是以使气体冷却获得冷量为主，利用机械功是次要的。

活塞式膨胀机是利用气体在气缸中膨胀对外做功，通过曲柄连杆机构传给曲轴。调节活塞式膨胀机产生冷量的方法有改变膨胀机转速，改变充气度和节流调节三种，最常用的是节流调节方法。

活塞式膨胀机的理论示功见图所示1→2→3→4→5→6。其工作循环由进气（1→2）：气缸内以P1压力气体充气，相应于点2关闭进气阀；膨胀（2→3）：气体从P1压力膨胀到P3压力，点3时开排气阀，气体开始从气缸内排出；流出（3→4）：气体从P3压力膨胀到P4压力，并从气缸内流出，此时气体膨胀不仅在气缸中进行，而且还在膨胀机外面的管道、设备中进行；排气（4→5）：气体由气缸内排出，点5时关闭排气阀；压缩（5→6）：排气阀关闭后残留在气缸内的气体压缩，气体从P5压力升高到P6压力，点6时开启进气阀；以及充气（6→1）：气缸余隙容积内充以压缩气体，原有气体从P6压力压缩到P1压力等六个过程组成。考虑到流动损失，内部热交换和外界热流其实际的示功图为1'→2'→3'→4'→5'→6'。